les traitements thermiques des aciers
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Contact: michel.chaussumier@insa-toulouse.fr
PO Ingénierie de la construction3ème AnnéeOrientation Génie MécaniqueLes traitements
thermiques des aciers
1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5
24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
HRc 54 52,5 52 40 35 30 22 226 187 HV
Austénisé à: Grosseur du grain:
C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%
900
800
700
600
100
0
200
300
400
500
Nuance: 35 CrMo 4
Ac1 A
A+F A+F+C
A+F+C
A+M
Ms
Ac3
850°C - 30 mn 9
Temps (s)
0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28
55 45
15
12 10
35 45
2 10 70
75
65 17
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Les aciers
Aciers d’usage général(Aciers non alliés)
Aciers à outils
Aciers spéciaux deconstruction mécanique(Aciers faiblement alliés)
Aciers spéciaux(Aciers maraging,)
Aciers inoxydables(Aciers fortement alliés)
Quelques rappels
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Les aciers
Aciers d’usage général(Aciers non alliés)
Aciers à outils
Aciers spéciaux deconstruction mécanique(Aciers faiblement alliés)
Aciers spéciaux(Aciers maraging,)
Aciers inoxydables(Aciers fortement alliés)
Les catégories d’aciers
La famille des aciers est subdivisée suivant ces 5 grandes sous-familles. Les aciers de traitement thermique couramment utilisés en construction mécanique appartiennent principalement à la sous-familledes aciers spéciaux de construction mécaniquemais on peut également utiliser certains aciers de la sous-famille des aciers d’usage général.
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Désignation normalisée des aciersde traitement thermique
Désignation des aciers de traitement thermique
Avant toute chose, il est nécessaire de bien connaître la désignation des différents alliages, et en particulier celle des aciers de traitement thermique. Celle-ci est définie par les normessoit française (NF A) ou européenne (EN). On donne ici les désignations en vigueur depuis 1992 mais également les désignation antérieures car elles sont encore largement employées.
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C 35 H2
Désignation des aciers spéciaux non-alliés (norme EN 10020)
Acier spécialnon-allié
Centuple de la teneur en carbone Particularités
Aciers spéciaux non alliés(Aciers d’usage général)
Désignation des aciers spéciaux non alliés
Les aciers de la première sous-familleaptes aux traitements thermiques sont les aciers spéciaux non-alliés.La désignation de ces aciers non-alliés est définie par la lettre « C » (pour acier au carbone) suivie d’un nombre représentant le centuple de la teneur nominale en carbone(ici 0,35%). Cette désignation peut être complétée pour désignée une particularité (ici H2 correspond àune bande de dispersion Jominy plus étroite).
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XC 38 H2
Ancienne désignation des aciers spéciaux non-alliés
Acier spécialnon-allié
Centuple de la teneur en carbone Particularités
Aciers spéciaux non alliés(Aciers d’usage général)
Ancienne désignation des aciers spéciaux non alliés
L’ancienne désignation de ces aciers non-alliés commence par le symbole «XC » (pour acier de classe XC) suivie d’un nombre représentant le centuple de la teneur nominale en carbone(ici 0,35%). Comme dans la nouvelle norme, cette désignation peut être complétée pour désignée une particularité.
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Les aciers spéciaux de construction mécanique(aciers faiblement alliés)
La teneur de chaque élément d’alliage ne dépasse 5%
35 CrMo 4
Désignation (norme EN 10020)
Teneur (×××× 100)en carbone
Symbole chimique des éléments d’alliage(dans l’ordre des teneurs décroissantes)
Teneur (×××× coeff.) de(s) éléments d’alliage
Définition des aciers faiblement alliés
Ces aciers de la seconde sous-famille, tous aptes aux traitements thermiques, sont des aciers faiblement alliés, c’est à dire que la teneur de chaque élément d’alliage ne dépasse pas 5%(en masse).
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Les aciers spéciaux de construction mécanique(aciers faiblement alliés)
La teneur de chaque élément d’alliage ne dépasse 5%
35 CrMo 4
Désignation (norme EN 10020)
Teneur (×××× 100)en carbone
Symbole chimique des éléments d’alliage(dans l’ordre des teneurs décroissantes)
Teneur (×××× coeff.) de(s) éléments d’alliage
Ancienne désignation des aciers faiblement alliés
La désignation de ces aciers commence par un nombre correspondant au centuple de la teneur nominale en carbone(ici 0,35%) puis par une suite de symboles chimiques des principaux éléments d’alliage (ces symboles sont donnés dans l’ordre décroissant des teneurs) et enfin par un ou plusieurs nombres correspondants aux teneurs de ces éléments d’alliage (à un coefficient multiplicatif près).
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Les aciers spéciaux de construction mécanique(aciers faiblement alliés)
Valeur des coefficients multiplicateurs en fonction des éléments d’alliage
BCe, N, P, SAl, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr
Cr, Co, Mn, Ni, Si, W
x 1000x 100x 10x 4
Coefficients multiplicateurs dans la désignation des aciers faiblement alliés
Le tableau ci-dessus donne la valeur du coefficient multiplicateur en fonction de la nature de l’élément d’alliage. Ce coefficient permet d’avoir une valeur entière dans la désignation de l’alliage.
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Les aciers spéciaux de construction mécanique(aciers faiblement alliés)
35 CD 4
Ancienne désignation
Teneur (×××× 100)en carbone
Symbole métallurgique des éléments d ’alliage(dans l ’ordre des teneurs décroissantes)
Teneur (×××× coeff.) de(s) éléments d ’alliage
Ancienne désignation des aciers faiblement alliés
L’ancienne désignation de ces aciers commence par un nombre correspondant au centuple de la teneur nominale en carbone(ici 0,35%) puis par une suite de symboles métallurgiques des principaux éléments d’alliage(ces symboles sont donnés dans l’ordre décroissant des teneurs) et enfin par un ou plusieurs nombres correspondants aux teneurs de ces éléments d’alliage (à un coefficient multiplicatif près).
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Acier C35
Acier 35 CrMo 4
Composition chimique des aciers de traitement thermique
0,060,02,0,020,210,020,020,0160,270,660,36
%Al%Cu%Mo%Cr%Ni%P%S%Si%Mn%C
0,280,960,160,020,010,280,770,36
%Mo%Cr%Ni%P%S%Si%Mn%C
Composition chimique des aciers de traitement thermique
Ces aciers, qu’ils soient aciers spéciaux non-alliésou aciers faiblement alliés doivent respecter une composition chimique nominale tolérancée sur la teneur de chaque élément. Ainsi un acier C35 peut être à0,36%C et la teneur en chrome dans un acier 35 CrMo 4 peut être différente de 1% (coeff. multipl. = 4).
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Les traitements thermiques des aciers
Trait t de durcissement
Trempes
Trait t d’adoucissement
Revenus Recuits
Les traitements thermique des aciers
Les traitements thermiques que l’on peut mettre en œuvre ont pour effet soit de durcir l’acier (trempe ), soit de l’adoucir (revenus et recuits).
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1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5
24h 15m n 1m n 2m n 1h 2h 4h 8h
506 224 202 177 169 148 H V
A us tén isé à : G rosseu r du g ra in :
C % M n% S i% S % P % N i% C r% M o%
900
800
700
600
100
0
200
300
400
500
N u a n ce: C 3 5
A c1
A A + F
A + F + C
A + M
M s
A c3
850°C - 15 m n 9
Tem ps (s )
0 ,35 0 ,60 0,20 0 ,027 0 ,022 0,12 0,10 0 ,02
40 50
70
30 50 60
70
30
B
420320
La trempe
La trempeCommençons par la trempe des aciers …
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αααα + γ γ γ γ 700
1 2 3 4 5 6 7
900
1000
1100
600
1200
1300
1400
1500
1600°C
%C
Liquide
γγγγ
αααα
Léd
ébu
rite
Per
lite
Fe 3
C
4,30,8
1147°
1534°
1390°
1250°
727°
6,67
δδδδ
α α α α ++++ Fe3C
γγγγ ++++ Fe3C
γγγγ
γγγγ
Fe0,02
%C
930
αααα727
α α α α ++++ Fe3C
αααα + γ γ γ γ
Perlite
γγγγ ++++ Fe3C
0,8
Le diagramme d’équilibre de phases Fer - Cémentite
Le diagramme d’équilibre de phases Fer-Cémentite
Ce traitement ne peut se maîtriser que si l’on a bien en mémoire le diagramme fer-cémentite. La portion du diagramme qui concerne les aciers de traitements thermique se limite en pratique à 1% en carbone – 1000°.
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γγγγ
γγγγ
Fe0,02
%C
930
αααα727
α α α α ++++ Fe3C
αααα + γ γ γ γ
Perlite
γγγγ ++++ Fe3C
0,8
Les microstructures d’équilibre
Microstructureferrito-perlitique
MicrostructurePerlite +
Cémentite
Les microstructures d’équilibre
Lorsque un acier est refroidi très lentement depuis son état austénitique, les transformations d’équilibre conduisent à une microstructure ferrito-perlitique (si la teneur en carbone est inférieure à 0,8%) ou à une microstructure constituée de Perlite et de Cémentite(si la teneur en carbone est supérieure à 0,8%).
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Austénite Germination
Les transformations de phases
Les transformation de phases: la germination
Les transformations de phases Austénite-Ferrite et Austénite-Perlite et Austénite-Cémentite, comme toutes les transformations de phase d’équilibre, font intervenir tout d’abord un phénomène de germination …
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Les transformations de phases
Germination Croissance
Les transformations de phases: la croissance
… suivi par une phase de croissance.Ces transformations, faisant intervenir la diffusion, peuvent donc se dérouler soit en condition isothermesoit en refroidissement continu.
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Cinétique des transformations de phases
Croissance
Cinétique de transformation
Que ce soit en condition isotherme ou en condition de refroidissement continu, la vitesse de transformation est liée à la vitesse de germination, elle même en relation directe avec le nombre de germespouvant se former et se développer.
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∆+∆−⋅=
RT
GGconstI tgexp
∆∆∆∆Gg : var. d’énergie. libre relative àla formation d’un germe
Vitesse de germination
∆∆∆∆Gt : var. d’énergie. libre relative àla barrière d’énergie à franchirpar un atome voulant se fixersur un germe en formation
Cinétique des transformations de phases
Vitesse de germination
Cette vitesse de germinationrésulte de deux phénomènes antagonistes: la formation des germes de la nouvelles phase(∆Gg<0) et la croissance de ces germes par fixation d’atomes de la phase mère(∆Gt>0).
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∆∆∆∆Gg : var. d’énergie. libre relative àla formation d’un germe
−∆=∆Tm
TTmhG vv
∆ ∆ ∆G G Gg s= +v
( )0>⋅=∆ γsGs
((((∆∆∆∆hV <0)
Cinétique des transformations de phases
Variation d’énergie libre
La formation des germes s’accompagne d’une diminution d’énergie libre ∆∆∆∆Gg dès lors que le volume l’emporte sur l’ interface (en termes de variation d’énergie ∆∆∆∆Gv (< 0 si T<Tm) et ∆∆∆∆Gs(>0)).
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∆∆∆∆Gg : var. d’énergie. libre relative àla formation d’un germe
−∆=∆Tm
TTmhG vv
∆ ∆ ∆G G Gg s= +v
( )0>⋅=∆ γsGs
((((∆∆∆∆hV <0)
Cinétique des transformations de phases
Degré de surfusion
Ainsi, pour une transformation devant théoriquement se dérouler à une température Tm, il faut que la température passe en-dessous de cette température pour que la transformation ait effectivement lieu (|∆∆∆∆Gv|<|∆∆∆∆Gs |). La différence T-Tm est appelédegré de surfusion(∆∆∆∆T).
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Ar 3
γγγγ
Fe0,02
%C
930
αααα727
α α α α ++++ Fe3C
αααα + γ γ γ γ
Perlite
γγγγ ++++ Fe3C
0,80,35
Les transformations de phases en condition isotherme
Transformations de phases en conditions isothermes
Considérons pour illustrer ces transformations isothermes, le cas d’un acier à 0,35%C. Le diagramme d’équilibre de phases nous indique que la transformation Austénite-Ferrite commence à la température Ar3 (environ 830°C).
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Les transformations de phases en condition isotherme
Tm
Tmax
Vitesse de germination I (log)
T
vg=0
γγγγ
t (log)
Tm
T
Transformation à T=Tm
D’après l’expression ∆∆∆∆Gv, si on maintient la température de l’alliage à la température théorique de transformation Tm, la vitesse de germination sera nulleet la transformation n’aura pas lieu (temps de début de transformation infini).
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Les transformations de phases en condition isotherme
Tm
Vitesse de germination I (log)
T
t (log)
∆∆∆∆T1
vg1
T1γγγγ
γ γ γ γ →→→→ αααα αααα
1% 99%
td
tf
T
Transformation à T1<Tm
Par contre, si on maintient la température de l’alliage àT une température inférieure à la température théorique de transformation (degré de surfusion∆∆∆∆T1), la germination pourra se faire, les germes pourront se développer et la transformation, caractérisée par les instants de début (td) et de fin (tf) de transformation, aura lieu.
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Les transformations de phases en condition isotherme
Tm
Vitesse de germination I (log)
T
t (log)
vg2
T2γγγγ γ γ γ γ →→→→ αααα αααα
1% 99%
td tf
∆∆∆∆T2 < ∆< ∆< ∆< ∆T1
T
Transformation à T2<T1
La vitesse de germination sera d’autant plus grandeque la différence entre la la température imposée et la température théorique de transformation sera importante(vg2>vg1 si ∆∆∆∆T2>∆∆∆∆T1). La transformation sera d’autant plus rapide (td2<td1 et tf2<tf1).
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Les transformations de phases en condition isotherme
Tm
Tmax
Vitesse de germination I (log)
T
t (log)
vgmax
γγγγ γ γ γ γ →→→→ αααα αααα1% 99%
td tf
∆∆∆∆T2 < ∆< ∆< ∆< ∆T1
T
Vitesse de germination maximale (à T=Tmax)
La vitesse de germination atteint une valeur maximale pour une valeur caractéristique du degré de surfusion. A la température correspondante (Tmax), la transformation sera la plus rapide.
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Les transformations de phases en condition isotherme
Tm
Tmax
Vitesse de germination I (log)
T
t (log)
vgmax
γγγγ γ γ γ γ →→→→ αααα αααα1% 99%
td tf
T
Transformation à T<Tmax
Par contre, si l’on maintien l’alliage à une température inférieure à cette températureTmax, les atomes possèderont moins d’énergie. Le nombre d’atomes pouvant se fixer sur les germes diminue et la vitesse de germination diminue. La transformation sera ralentie.
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Les transformations de phases en condition isotherme
Tm
Tmax
Vitesse de germination I (log)
T
t (log)
vgmax
γγγγ γ γ γ γ →→→→ αααα αααα
T
Vitesse de germination nulle
A la limite , si la température imposée est suffisamment basse, les atomes n’auront plus l’énergie suffisante pour franchir la barrière d’énergie et la vitesse de germination sera nulle: la transformation n’aura pas lieu.
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Les transformations de phases en condition isotherme
Tm
Vitesse de germination I (log)
T
t (log)
vgmax
γγγγ
γ γ γ γ →→→→ αααα αααα
T
1% 99%
50%
Courbes de transformation en conditions isothermes
Les courbes de début (1% de phase transformée) et de fin (99% de phase transformée) de transformation délimitent les domaine de stabilité des phaseset le domaine de transformation de phase. Le diagramme ainsi obtenu dans le plan temps-Température s’appelle Diagramme TTT (Temps – Température – Transformation)
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Diagrammes TTT(Transformation – Temps – Température)
1 2 5 10 20 50100 500 10 10 103 4 5
24h15mn1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
Austénisé à : Grosseur du grain:
C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%
900
800
700
600
100
0
200
300
400
500
Nuance: C35
Ac1
AA+F
A+F+C
A+M
Ms
Ac3
850°C - 60 mn 10-11
Température (°C)
Temps (s)
0,36 0,66 0,27 0,0160,02 0,02 0,21 0,02
98
93
92
97
Dureté Rockwell
Cu%0,02
Al%0,06
Diagramme TTT de l’acier C35
Voici le diagramme TTT de l’acier C35qui nous a servi d’exemple pour illustre la cinétique de transformation de phase en condition isotherme. La courbe bleuecorrespond au début de la transformation ferritique et la verte à la fin de cette transformation. Elles coïncide avec la courbe de début de transformation perlitique. La courbe rougecorrespond àla fin de la transformation perlitique. La courbe e pointillé correspond à 50% d’austénite transformée.
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Diagrammes TTT(Transformation – Temps – Température)
1 2 5 10 20 50100 500 10 10 103 4 5
24h15mn1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
Austénisé à : Grosseur du grain:
C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%
900
800
700
600
100
0
200
300
400
500
Nuance: C35
Ac1
AA+F
A+F+C
A+M
Ms
Ac3
850°C - 60 mn 10-11
Température (°C)
Temps (s)
0,36 0,66 0,27 0,0160,02 0,02 0,21 0,02
98
93
92
97
Dureté Rockwell
Cu%0,02
Al%0,06
Transformations isothermes et caractéristiques mécaniques
On constate bien, qu’en condition isotherme, qu’un maintien à 830°C (Ar3) empêche la transformation ferritique et qu’un maintien à 727°C (Ar1), empêche la transformation perlitique .C’est à environ 480°C que la transformation de l’austénite est la plus rapide: début au bout d’1 seconde et fin au bout de 20 secondes avec essentiellement formation de Perlite.On voit donc que les conditions de transformations influent sur la microstructure finale et donc sur les caractéristiques (90 HRB à 480°C contre 92 à 600°C)
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Ac3
500°C
Ac3+50°C
t
°C
Ms
Chauffe étagée
Austénitisation30mn - 1h
Refroidissementrapide
(eau, air, huile)
La trempe bainitique
Transformation bainitique
L’utilisation de ces diagrammes TTT est assez rare. On ne les utilise presque qu’exclusivement que pour déterminer la vitesse de refroidissement nécessaire pour assurer une transformation totalement bainitique (trempe bainitique)
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erm
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La trempe étagée bainitique(austempering)
1 2 5 10 20 50100 500 10 10 103 4 5
24h15mn1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
Austénisé à : Grosseur du grain:
C% M n% Si% S% P% Ni% Cr% M o%
900
800
700
600
100
0
200
300
400
500
Nuance: 35NiCr6
Ac1
AA+F
A+F+C
A+MM s
Ac3
850°C - 30 mn 11
Tem
péra
ture
(°C
)
Temps (s)
0,41 0,55 0,24 0,0070,0140,93 0,80 0,06
35
63
41
Dur
eté
HR
c
F+C
Cu%0,1
V%0,01
28
22
18
50
A+F+C
F+C
Utilisation du diagrammes TTT(Transformation – Temps – Température)
Structure bainitique d ’un acier à 0,1%C
Bainite infér.
Le maintien à une température de l’ordre de 400°C, permet d’assurer la transformation complète de l’austénite en bainite inférieure, agrégat très fin de ferrite et de cémentite, conférant ainsi à l’acier une microstructure stableet dure.
PO
IC 3
-Le
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Contact: michel.chaussumier@insa-toulouse.fr
Diagrammes TRC(Transformation en Refroidissement Continu)
1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5
24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
506 224 202 177 169 148 HV
Austénisé à: Grosseur du grain:
C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%
900
800
700
600
100
0
200
300
400
500
Nuance: C35
Ac1
A A+F
A+F+C
A+M
Ms
Ac3
850°C - 15 mn 9
Temps (s)
0,35 0,60 0,20 0,027 0,022 0,12 0,10 0,02
40 50
70
30 50 60
70
30
B
420320
Transformations en refroidissement continu: diagrammes TRC
Des diagrammes de transformations de phases en conditions de refroidissement continu peuvent également être établi expérimentalement. Ces diagrammes, appelés diagrammes TRC, sont très souvent utilisés dans la mesure où, industriellement , le refroidissement des pièces se fait de cette façon. Lorsqu’on utilise l’air calme comme milieu de refroidissement, on parle de trempe de normalisation. Ci-contre, le diagramme TRC de l’acier C35.
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Contact: michel.chaussumier@insa-toulouse.fr
Diagrammes TRC(Transformation en Refroidissement Continu)
1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5
24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
506 224 202 177 169 148 HV
Austénisé à: Grosseur du grain:
C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%
900
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Nuance: C35
Ac1
A A+F
A+F+C
A+M
Ms
Ac3
850°C - 15 mn 9
Temps (s)
0,35 0,60 0,20 0,027 0,022 0,12 0,10 0,02
40 50
70
30 50 60
70
30
B
420320
Diagrammes TRC: microstructures
Sur ces diagrammes, on retrouve les courbes qui délimitent les différents domaines de stabilité de phase et les domaines de transformation de phase: le domaine de transformation ferritique(A+F) et celui de la transformation perlitique (A+F+C) . On distingue également un troisième domaine de transformation: celui de la transformation bainitique (A+B). La bainite est un agrégat de ferrite et de cémentite extrêmement fin et donc plus dure que la perlite.
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Contact: michel.chaussumier@insa-toulouse.fr
Diagrammes TRC(Transformation en Refroidissement Continu)
1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5
24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
506 224 202 177 169 148 HV
Austénisé à: Grosseur du grain:
C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%
900
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200
300
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Nuance: C35
Ac1
A A+F
A+F+C
A+M
Ms
Ac3
850°C - 15 mn 9
Temps (s)
0,35 0,60 0,20 0,027 0,022 0,12 0,10 0,02
40 50
70
30 50 60
70
30
B
420320
Courbes de refroidissement
Taux de transformationde l ’austénite initiale
Diagrammes TRC: taux de transformation d l’austénite
Sur ces diagrammes, on trouve également tout un faisceau de courbes de refroidissement ainsi que des chiffres àleur intersection avec les courbes de fin de transformation. Ces chiffres indiquent quelle est la proportion d’austénite initiale qui s’est transformée pour former le constituant auquel correspond la courbe de fin de transformation.
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Contact: michel.chaussumier@insa-toulouse.fr
Influence des éléments d’alliages
Manganèse: augmente la dureté de la ferrite
Nickel : affine la microstructure
Chrome - Molybdène: participent à la formation de la Perlite et de la Cémentite - favorisent la formation de carbures
Vanadium - Nobium :augmentent la dureté de la ferrite en favorisant la formation de fins carbures
Influence des éléments d’alliages sur la microstructure
Les éléments d’alliages, notamment dans les aciers alliés, ont différentes influences sur la microstructure de l’alliage;
PO
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Influence des éléments d’alliages
Influence du chrome
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
0 0,4 0,8 1,2 1,60,2 0,6 1,0 1,2 1,8
%C500
0%
4%2%
γγγγ
°C
Influence du nickel
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1,8
0% Cr
5%12%
15%
0 0,4 0,8 1,2 1,60,2 0,6 1,0 1,2
%C600
°C
Influence des éléments d’alliages sur la position du point eutectoïde
D’une part, la teneur en carbone de l’eutectoïde diminueavec les teneurs en chrome, molybdène, nickel, manganèseet autres (déplacement vers la gauche du point eutectoïde): la proportion en Perlite augmentedonc (règle des segments inverses).
PO
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Influence des éléments d’alliages
Le chrome: un élément alphagène
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1,8
0% Cr
5%12%
15%20%
0 0,4 0,8 1,2 1,60,2 0,6 1,0 1,2
%C600
°C
Eléments alphagènes
D’autre part, le domaine austénitique est fortement modifié: son étendue diminueen présence de chrome, de molybdènede vanadium de titane de silicium ou d’aluminium. Ces éléments sont dits alphagènes(ils favorisent l’extension du domaine ferritique).
PO
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Influence des éléments d’alliages
Le nickel: un élément gammagène
600
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1000
1100
1200
1300
0 0,4 0,8 1,2 1,60,2 0,6 1,0 1,2 1,8
%C500
0%
4%2%
γγγγ
°C
Eléments gammagènes
Par contre, en présence de nickel, de manganèse, de cobalt, de cuivre et d’azote, l’étendue du domaine austénitique augmente: ces éléments sont dit gammagènes.
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Influence des éléments d’alliages
700
800
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1100
1200
1300
1400
0,5 1,0 1,5 2,0 2,50
α
α+ (CrFe) C4
α+ (CrFe) C+(CrFe) C4 7 3
α+ (CrFe) C7 3
α+ γ+ (CrFe) C7 3
γ+ (CrFe) C7 3
α+γ
γ
γ+ (CrFe) C7 3+(CrFe) C3
+(CrFe) C3
α
α+γ
Liquide+ γ
L+ γ+ (CrFe) C7 3
L+ αL+ α+γ
α+ (CrFe) C7 3
%C
Eléments carburigènes
Par ailleurs, tous ces éléments d’alliages sont carburigènes: ils ont une grande affinité avec le carbone et favorise la formation de carbures: soit des carbures de fer alliés(Cémentite alliée) (FeM)mCn (M = élémt d’alliage), soit des carbures d’éléments d’alliagesMmCn
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1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5
24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
506 224 202 177 169 148 HV
Austénisé à: Grosseur du grain:
C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%
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200
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400
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Nuance: C35
Ac1
A A+F
A+F+C
A+M
Ms
Ac3
850°C - 15 mn 9
Temps (s)
0,35 0,60 0,20 0,027 0,022 0,12 0,10 0,02
40 50
70
30 50 60 70
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B
420320
1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5
24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
HRc 54 52,5 52 40 35 30 22 226 187 HV
Austénisé à: Grosseur du grain:
C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%
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Nuance: 35 CrMo 4
Ac1 A
A+F A+F+C
A+F+C
A+M
Ms
Ac3
850°C - 30 mn 9
Temps (s)
0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28
55 45
15
12 10
35 45
2 10 70
75
65 17
Ralentissementde la diffusion
Décalage vers la droitedes lignes de début et de
fin de transformation
Influence des éléments d’alliages
Influence des éléments d’alliages sur la vitesse de germination
D’autre part, la présence de ces éléments d’alliages ralentit la vitesse de germination.Les transformations de phases s’en trouvent donc retardées: les domaines de transformations sont décalés vers la droite dans l’échelle temps, que ce soit en condition isotherme ou en refroidissement continu.
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1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5
24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
506 224 202 177 169 148 HV
Austénisé à: Grosseur du grain:
C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%
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Nuance: C35
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A A+F
A+F+C
A+M
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850°C - 15 mn 9
Temps (s)
0,35 0,60 0,20 0,027 0,022 0,12 0,10 0,02
40 50
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24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
HRc 54 52,5 52 40 35 30 22 226 187 HV
Austénisé à: Grosseur du grain:
C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%
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Nuance: 35 CrMo 4
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A+F A+F+C
A+F+C
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850°C - 30 mn 9
Temps (s)
0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28
55 45
15
12 10
35 45
2 10 70
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65 17
Les diagrammes TRC montre par ailleurs que si l’on refroidit ces alliages suffisamment rapidement, il est possible d’éviter la formation des constituants d’équilibre (ferrite, perlite ou bainite). La vitesse de refroidissement minimale permettant ceci est appelée vitesse critique de trempe.
Vitesse critique de trempeVitesse critique de trempe
Diagrammes TRC et conditions de refroidissementVitesse critique de trempe
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24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
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Austénisé à: Grosseur du grain:
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Nuance: C35
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A+F+C
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850°C - 15 mn 9
Temps (s)
0,35 0,60 0,20 0,027 0,022 0,12 0,10 0,02
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HRc 54 52,5 52 40 35 30 22 226 187 HV
Austénisé à: Grosseur du grain:
C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%
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Nuance: 35 CrMo 4
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A+F A+F+C
A+F+C
A+M
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850°C - 30 mn 9
Temps (s)
0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28
55 45
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12 10
35 45
2 10 70
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65 17
Vitesse critique de trempeVitesse critique de trempe
Diagrammes TRC et conditions de refroidissement
Influence des éléments d’alliages sur la vitesse critique de trempe
La présence des éléments d’alliages, en retardant la germination des phases d’équilibre, permet de diminuer cette vitesse critique de trempe.
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1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5
24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
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Austénisé à: Grosseur du grain:
C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%
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Nuance: C35
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Temps (s)
0,35 0,60 0,20 0,027 0,022 0,12 0,10 0,02
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C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%
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Nuance: 35 CrMo 4
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A+F A+F+C
A+F+C
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850°C - 30 mn 9
Temps (s)
0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28
55 45
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2 10 70
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La trempe des aciers
La trempe des aciers
Lorsque l’on impose à une pièce austénitiséedes conditions de refroidissement qui permettent, pour la dimension de cette pièce, d’obtenir une vitesse de refroidissement supérieure à ces vitesses critiques de trempe, on obtient un nouveau constituant: la martensite.
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Acier à 0,35%C
La martensite
Formation de la martensite
La martensite est un constituant hors équilibre. Elle provient du cisaillement de la maille austénitique (CFC). Ce cisaillement est provoqué par la libération des énergies de transformations qui ont été bloquées du fait que ces transformations d’équilibre ont étéévitées.
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Martensite en lattes Martensite en lattes
La martensite
Martensite en latte et aciculaire
La martensite, de structure quadratique centrée, se présente sous forme de fines aiguilles. Elle peut prendre deux formes: en lattes(groupement d’aiguilles) dans les aciers à moins de 0,6%C ou aciculaires(aiguilles dans tous les sens) dans les aciers à plus de 0,6%C.
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24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
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Austénisé à: Grosseur du grain:
C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%
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Nuance: C35
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A A+F
A+F+C
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Temps (s)
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HRc 54 52,5 52 40 35 30 22 226 187 HV
Austénisé à: Grosseur du grain:
C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%
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Ac1 A
A+F A+F+C
A+F+C
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Température de début de transformation martensitique
Formule d'Andrews (1965)
Ms (°C) = 539 - 423(%C) - 30(%Mn)- 18(%Ni) - 12(%Cr) - 7,5(%Mo)
Température de dénut de transformation martensitique: formule d’Andrews
La température de début de transformation martensitique, notée Ms (Martensite Start), dépend de la composition chimique de l’alliage: elle peut être correctement estimée à l’aide de la relation d’Andrews. La transformation martensitique se poursuit avec l’abaissement de la température.
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1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5
24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
506 224 202 177 169 148 HV
Austénisé à: Grosseur du grain:
C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%
900
800
700
600
100
0
200
300
400
500
Nuance: C35
Ac1
A A+F
A+F+C
A+M
Ms
Ac3
850°C - 15 mn 9
Temps (s)
0,35 0,60 0,20 0,027 0,022 0,12 0,10 0,02
40 50
70
30 50 60 70
30
B
420320
1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5
24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
HRc 54 52,5 52 40 35 30 22 226 187 HV
Austénisé à: Grosseur du grain:
C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%
900
800
700
600
100
0
200
300
400
500
Nuance: 35 CrMo 4
Ac1 A
A+F A+F+C
A+F+C
A+M
Ms
Ac3
850°C - 30 mn 9
Temps (s)
0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28
55 45
15
12 10
35 45
2 10 70
75
65 17
Fin de transformation martensitique
0
20
40
60
80
100
-500-400-300-200-1000
Abaissement de température en-dessous de Ms
Taux
de
tran
sfor
mat
ion
mar
tens
itiqu
e
Température de fin de transformation martensitique: austénite résiduelle
La température de fin de transformation martensitique, notée Mf, est inférieure de 419° àMs (quelle que soit l’acier). C’est pourquoi, pour la plupart des aciers, la transformation austénitique n’est pas complète à 20°C: il reste de l’austénite non transformée appelée austénite résiduelle.
PO
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Contact: michel.chaussumier@insa-toulouse.fr
Taux d ’austénite résiduelle (yγγγγ résid)
( ) ( ) ( )( )µγγ −⋅−⋅−⋅−= 1011,0exp1 TMsyy etransformérésid
BPF yyyyetransformé
++=γ
( )( )6,070030003,0exp141,0 t∆⋅−−⋅=µFacteur de stabilisation :
*
* : uniquement valable pour des refroidissement sans maintien intermédiaire
résidM yyy γ−−= 1
Taux de transformation avant Ms :
700300t∆ Taux d’austénite résiduelle
Le taux d’austénite résiduelle peut être estimée à partir de la relation ci-dessus en condition de refroidissement continu (*). Dans le cas de la trempe martensitique, les proportions en ferrite, perlite et bainite sont nulles.
Le paramètre caractérise les conditions de refroidissement.
PO
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Acier à 0,35%C
La martensite
Martensite en lattes sur fond d’austénite résiduelle :
Taux d ’austénite résiduelle (yγγγγ résid)
Influence des éléments d’alliage sur le taux d’austénite résiduelle
La température de début de transformation martensitique s’abaissant avec la présence des éléments d’alliage(formule d’Andrews), la teneur en austénite résiduelle augmente donc.
PO
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En refroidissement continu
Diagrammes de transformationen refroidissement continu
(TRC)
Isotherme
Diagrammes de transformationen condition isotherme
(TTT)
Martensite(constituant hors équilibre)
Résumons
La trempeLa trempe
PO
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La trempe
En refroidissement continu
Diagrammes de transformationen refroidissement continu
(TRC)
Isotherme
Diagrammes de transformationen condition isotherme
(TTT)
Martensite(constituant hors équilibre)
Objectifs de la trempe
La trempe, traitement thermique de durcissement, à pour objectif d’obtenir un constituant hors équilibre appelée Martensite. Elle peut se faire en conditions isothermesou suivant un refroidissement continu. Dans les deux cas, il est nécessaire d’utiliser les diagrammes de transformations pour déterminer les conditions de traitement nécessaires à son obtention.
PO
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Caractérisation des aciers vis-à-vis des traitements thermiques
Trempabilité des aciers
Aptitude à former de la martensitedans des conditions de refroidissement
de moins en moins sévères
La trempabilité des aciers
Le choix de ces conditions de traitement dépend de la réponse du matériau aux traitements thermiques: la trempabilité.
PO
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Trempabilité des aciers
Essai Jominy
Eprouvetteen place
Supportd‘éprouvette
Arrivée d’eau
Evacuation de l’eau
Jet d’eau derefroidissement
Dispositif d’essai Jominy
L’essai Jominy
Pour caractériser cette aptitude à la trempe, on réalise l’essai Jominy.La pièce d’essai est un cylindre de 25 mm de diamètre et de 100 mm de long. Cette pièce, préalablement austénitisée à 850°C durant 30 mn est refroidie par l’une de ses extrémité àl’aide d’un jet d’eau.
PO
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COURBES JOMINY
HRc
Distance à l'extrémité trempée (mm)10 20 300
20
30
40
50
60Austénisé à: Grosseur du grain: 850°C - 30 mn 9
C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28
Nuance: 35 CrMo 4
Une fois refroidie, on réalise à la meule deux méplats de 4-5 mm de large, diamétralement opposés. Les conditions de meulage doivent être telles qu’on évite tout échauffement excessif.Sur ces méplats, on réalise des essais de dureté Rockwell C à 1,5-3-5-7-9-11-15-20-25-30-35- … mm de l’extrémité arrosée.En reportant ces valeurs de dureté en fonction de la distance, on obtient la courbe Jominy.
La courbe Jominy
PO
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Ces courbes Jominy présentent un palier supérieur plus ou moins marqué. Ce palier correspond à une transformation totalement martensitique.Le niveau HRc de ce palier ne dépend que de la teneur en carbone.La valeur de la dureté peut être calculée avec le modèle de JUST
Distance à l'extrémité trempée (mm)
HRc
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25 30
%C
COURBES JOMINY
D ureté de la martens ite en fonction de la teneur en carbone
0
10
20
30
40
50
60
70
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55
%m C
HR
c
CHRcm %6020 ⋅+=
Courbe Jominy: dureté de la martensite
PO
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COURBES JOMINY
Distance à l'extrémité trempée (mm)
HRc
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25 30
Présenced’éléments d’alliages
Ce palier peut être plus ou moins long: cela dépend de la présence d’éléments d’alliage: de leur nature et de la proportion. Cela traduit la facilité avec laquelle la transformation martensitique se produit: on parle de trempabilité .
Trempabilité
Courbe Jominy: trempabilité
PO
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Le palier est suivi d’une décroissance plus ou moins rapide vers un niveau assymptotique. Cette décroissance correspond à une transformation mixte(ferrite + perlite + bainite + martensite).La rapidité avec laquelle la dureté décroît caractérise également la trempabilité de l’acier : elle dépend de la nature et de la proportion des éléments d’alliage. Distance à l'extrémité trempée (mm)
HRc
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25 30
COURBES JOMINY
Courbe Jominy: influences sur la trempabilité
PO
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La courbe présente une tendance asymptotique lorsqu’on s’éloigne de l’extrémité de l’éprouvette. La transformation est pour la plupart des aciers de type ferrito-perlitique. Distance à l'extrémité trempée (mm)
HRc
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25 30
COURBES JOMINY
Courbe Jominy: dureté à coeur
PO
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COURBES JOMINY
HRc
Distance à l'extrémité trempée (mm)10 20 300
20
30
40
50
60Austénisé à: Grosseur du grain: 850°C - 30 mn 9
C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28
Nuance: 35 CrMo 4
Ces courbes Jominy peuvent être représentées à l’aide de modèles prenant en compte la composition de l’alliage et les condition d’austénitisation (grosseur du grain - K ASTM). Pour les distances Jominy comprises supérieures à 8mm, la formule de Justpeut être avantageusement utilisée.
( )
CHRc
HRcEE
KPVSi
NiMnMoCr
CECdHRc
m
m
ASTM
%6020
13898,028,12
81,0%96%39%1,6
%5,5%14%38%20
%00276,0%95 2
⋅+=
⋅−⋅+⋅−
⋅−⋅+⋅+⋅+⋅+⋅+⋅+⋅+
⋅⋅−⋅=
Modèle de Just
Courbe Jominy: modèle de JUST
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Choix des conditions de traitements thermiques
Ac3
500°C
Ac3+50°C
t
°C
Chauffe étagée
Austénitisation30mn - 1h
Refroidissement rapide
(eau, air, huile)
Choix des conditions de traitement thermique
PO
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Dimensionsde la pièce
Sévéritédu milieude trempe
Trempe martensitique
Vrefroidissement < Vcritique de trempe
Trempabilité
Réaliser une trempe martensitique, c’est imposer des vitesses de refroidissement supérieures à la vitesse critique de trempe.Le choix des conditions de traitement dépend de la réponse du matériau aux traitements thermiques mais également de la sévérité du milieu de refroidissementet des dimensions de la pièce.
Condition de trempe martensitique
PO
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Sévérité des milieux de trempe H (mm-1)
Eau Huile
Agi
tatio
ntr
ès in
tens
e
nulle
Air
0,16
0,04
0,4
0,01
0,008
0,0008
La sévérité du milieu de trempe caractérise la capacité du milieu à évacuer les calories. Industriellement, on retrouve trois milieux classiques : dans l’ordre décroissant de sévérité, l’ eau, l’huile et l’air . Ces milieux peuvent être plus ou moins agités.
Selon ROSSMANN
αααα : coefficient de transmission de la chaleur entre la pièce et le milieu de trempeλλλλ : conductivité thermique du milieu de trempe
λα2
=H
Sévérité du milieu de trempe
PO
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Temps de refroidissement
La vitesse de refroidissement dépend des dimensions de la pièces et du milieu de refroidissement. Pour déterminer ces vitesses dans le cas de pièces cylindriques, on peut utiliser des abaques de refroidissement.
1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 103 4 5
24h15mn1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
900
800
700
600
100
0
200
300
400
500
Ms
Temps (s)
10 20 40 80 250500 900Rond de ∅
Mode de refroidissement AIR
Courbes Rond de ∅ 80 : à 10 mm de la surfaceRond de ∅ 250 et 500 : à 20 mm de la surfaceRond de ∅ 900: à 150 mm de la surface
à coeur
Sous lasurface
1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5
24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
900
800
700
600
100
0
200
300
400
500
Ms
Temps (s)
10 20 40 80 120 Rond de ∅
Mode de refroidissement Eau
Courbes Rond de ∅ 80 : à 10 mm de la surface Rond de ∅ 250 et 500 : à 20 mm de la surface Rond de ∅ 900: à 150 mm de la surface
à coeur
Sous la surface
50
1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 103 4 5
24h15mn1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
900
800
700
600
100
0
200
300
400
500
Ms
Temps (s)
10 20 40 80 250 500 900Rond de ∅
Mode de refroidissement HUILE
Courbes Rond de ∅ 80 : à 10 mm de la surfaceRond de ∅ 250 et 500 : à 20 mm de la surfaceRond de ∅ 900: à 150 mm de la surface
à coeur
Sous lasurface
Eau Huile Air
Abaques de refroidissement
PO
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Temps de refroidissement
Ces abaques permettent de déterminer les temps de refroidissementpour le cœur et la surface de ronds de différents diamètres. Cependant, ils ne sont disponibles que pour les trois milieux de refroidissements standards (eau, huile et air sans agitation).
1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 103 4 5
24h15mn1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
900
800
700
600
100
0
200
300
400
500
Ms
Temps (s)
10 20 40 80 250500 900Rond de ∅
Mode de refroidissement AIR
Courbes Rond de ∅ 80 : à 10 mm de la surfaceRond de ∅ 250 et 500 : à 20 mm de la surfaceRond de ∅ 900: à 150 mm de la surface
à coeur
Sous lasurface
1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5
24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
900
800
700
600
100
0
200
300
400
500
Ms
Temps (s)
10 20 40 80 120 Rond de ∅
Mode de refroidissement Eau
Courbes Rond de ∅ 80 : à 10 mm de la surface Rond de ∅ 250 et 500 : à 20 mm de la surface Rond de ∅ 900: à 150 mm de la surface
à coeur
Sous la surface
50
1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 103 4 5
24h15mn1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
900
800
700
600
100
0
200
300
400
500
Ms
Temps (s)
10 20 40 80 250 500 900Rond de ∅
Mode de refroidissement HUILE
Courbes Rond de ∅ 80 : à 10 mm de la surfaceRond de ∅ 250 et 500 : à 20 mm de la surfaceRond de ∅ 900: à 150 mm de la surface
à coeur
Sous lasurface
Eau Huile Air
PO
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Contact: michel.chaussumier@insa-toulouse.fr
Temps de refroidissement
Le temps de refroidissement le plus couramment retenu est celui qu’il faut pour passer de 700°C à 300°C: il est noté
. Cette plage de température correspond à celle où se produisent les différentes transformations dès lors que l’on procède à une trempe, 300°C correspondant à la température de début de transformation martensitique (MS)(valeur moyenne sur l’ensemble des aciers de TTh).
700300t∆
1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5
24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
HRc 54 52,5 52 40 35 30 22 226 187 HV
Austénisé à: Grosseur du grain:
C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%
900
800
700
600
100
0
200
300
400
500
Nuance: 35 CrMo 4
Ac1 A
A+F A+F+C
A+F+C
A+M
Ms
Ac3
850°C - 30 mn 9
Temps (s)
0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28
55 45
15
12 10
35 45
2 10 70
75
65 17
700300t∆
Ms
700
300
700300t∆
Temps de refroidissement
PO
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Contact: michel.chaussumier@insa-toulouse.fr
Abaque de détermination des temps de refroidissement
Pour déterminer ces temps de refroidissement dans le cas de pièces cylindriques, on peut également utiliser l’abaque proposé parl’OTUA . Cet abaque présente l’avantage de pouvoir traiter tous les milieux de trempe. En outre, il permet de déterminer les temps de refroidissement en tout point de la section.
0,160,08
0,040,025
0,0150,01
0,0050,0020,0008
20
30
10
40506080
100
200
300
D (mm)
H (mm-1)
0,160,08
0,040,0250,0150,010,005
Coeur (r/R=0)tous milieux
2
5102050
100200
500
1
∆∆∆∆t700700700700300300300300
r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,50,4
0,2
70
Peau (r/R=1)
700300t∆
Zone pour la déterminationdes temps de refroidissement
en tout point de la pièce
Abaque de détermination des temps de refroidissement
PO
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Contact: michel.chaussumier@insa-toulouse.fr
0,160,08
0,040,0250,0150,010,005
Coeur (r/R=0)tous milieux
2
51020
50
100200
500
1
∆∆∆∆t700700700700300300300300
r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
0,40,2
Peau (r/R=1)
Cet abaque est constitué de 3 zones.La zone 1permet de définir le diamètre et la sévérité du milieu de trempe. Dans cette zone, on trouve un faisceau de droitescorrespondant aux sévérités des différents milieux de trempe.
Zone 1
Zone 2 Zone 3
0,160,08
0,040,025
0,0150,01
0,0050,0020,0008
20
30
10
405060
80100
200
300
D (mm)
H (mm-1)70
PO
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Coeur (r/R=0)tous milieux
0,160,08
0,040,025
0,0150,01
0,0050,0020,0008
20
30
10
405060
80100
200
300
D (mm)
H (mm-1)
r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
0,40,2
70
La zone 2permet de déterminer les temps de refroidissement en surface de pièce (la peau) et le cœur. On y trouve de nouveau le faisceau de droitescorrespondant aux différentes sévérité. Ce faisceau permet de déterminer les temps de refroidissement pour la peau.
Zone 1
Zone 3Zone 20,160,08
0,040,0250,0150,010,005
2
51020
50
100200
500
1
∆∆∆∆t700700700700300300300300
Peau (r/R=1)
PO
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ts th
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0,160,08
0,040,025
0,0150,01
0,0050,0020,0008
20
30
10
405060
80100
200
300
D (mm)
H (mm-1)
0,160,08
0,040,0250,0150,010,005
2
51020
50
100200
500
1
∆∆∆∆t700700700700300300300300
r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
0,40,2
70
Peau (r/R=1)
Ce faisceau de droites est bornée par une droite qui permet de déterminer les temps de refroidissement pour le cœur de la pièce. Elle correspond à toute les sévérités de milieu de trempe (toutes les droites correspondantes sont confondues en une seule).
Zone 1
Zone 2 Zone 3Coeur (r/R=0)tous milieux
PO
IC 3
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Contact: michel.chaussumier@insa-toulouse.fr
0,160,08
0,040,025
0,0150,01
0,0050,0020,0008
20
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10
405060
80100
200
300
D (mm)
H (mm-1)
0,160,08
0,040,0250,0150,010,005
Coeur (r/R=0)tous milieux
2
51020
50
100200
500
1
∆∆∆∆t700700700700300300300300
r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
0,40,2
70
Peau (r/R=1)
La zone 3permet de déterminer les temps de refroidissement en tout point de la section.
Zone 1
Zone 2 Zone 3
PO
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Contact: michel.chaussumier@insa-toulouse.fr
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80100
200
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D (mm)
H (mm-1)
0,160,08
0,040,0250,0150,010,005
Coeur (r/R=0)tous milieux
2
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50
100200
500
1
∆∆∆∆t700700700700300300300300
r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
0,40,2
70
Peau (r/R=1)
Pour déterminer les temps de refroidissement, on se sert de cet abaque de la façon suivante: …
Zone 1
Zone 2 Zone 3
PO
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Contact: michel.chaussumier@insa-toulouse.fr
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80100
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300
D (mm)
H (mm-1)
0,160,08
0,040,0250,0150,010,005
Coeur (r/R=0)tous milieux
2
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1
∆∆∆∆t700700700700300300300300
r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
0,40,2
70
Peau (r/R=1)
D
Le diamètre de la pièce étant connu, on trace une horizontalecorrespondante dans la zone 1de l’abaque . Cette horizontale coupe la droite de sévérité correspondant au milieu de trempe retenu en un point A.
Zone 1A
Utilisation des abaques de détermination des temps de refroidissement: étape 1
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IC 3
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Contact: michel.chaussumier@insa-toulouse.fr
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0,040,025
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0,0050,0020,0008
20
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405060
80100
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D (mm)
H (mm-1)
0,160,08
0,040,0250,0150,010,005
Coeur (r/R=0)tous milieux
2
51020
50
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500
1
∆∆∆∆t700700700700300300300300
r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
0,40,2
70
Peau (r/R=1)
D
A partir de ce point A, on trace une droite verticale. Elle coupe, dans le faisceau de droites permettant la détermination des temps de refroidissement en surface, la droite correspondant à la sévérité du milieu de trempe retenu en un point B. A partir de ce point, on trace une horizontale: on lit sur l’échelle le temps de refroidissement pour la peau.
A
Zone 2B
700300t∆
Etape 2: détermination de ∆T700300 pour la surface
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0,0050,0020,0008
20
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10
405060
80100
200
300
D (mm)
H (mm-1)
0,160,08
0,040,0250,0150,010,005
Coeur (r/R=0)tous milieux
2
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50
100200
500
1
∆∆∆∆t700700700700300300300300
r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
0,40,2
70
Peau (r/R=1)
D
D’autre part, la droite verticale A-B coupe la droite relative au refroidissement du cœur en un point C. A partir de ce point, on trace une horizontale: on lit sur l’échelle le temps de refroidissement pour le coeur.
A
Zone 2B
700300t∆
C
Etape 3: détermination de ∆T700300 pour le coeur
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0,160,08
0,040,025
0,0150,01
0,0050,0020,0008
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10
405060
80100
200
300
D (mm)
H (mm-1)
0,160,08
0,040,0250,0150,010,005
Coeur (r/R=0)tous milieux
2
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50
100200
500
1
∆∆∆∆t700700700700300300300300
r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
0,40,2
70
Peau (r/R=1)
D
Pour déterminer les temps de refroidissements en différents points de la section, on utilise la zone 3de l’abaque. Elle est graduée en rapport r/R ou r représente la position du point étudié et R le rayon de la pièce.
A
Zone 3B
C
1 0
Etape 4: Détermination de DT700 300 en tout point de la section
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0,160,08
0,040,025
0,0150,01
0,0050,0020,0008
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10
405060
80100
200
300
D (mm)
H (mm-1)
0,160,08
0,040,0250,0150,010,005
Coeur (r/R=0)tous milieux
2
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50
100200
500
1
∆∆∆∆t700700700700300300300300
r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
0,40,2
70
Peau (r/R=1)
D
Le temps de refroidissement déterminé à partir du point B (peau) correspond àr/R=1: point B’ .
A
Zone 3B
C
1 0
B’
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0,160,08
0,040,025
0,0150,01
0,0050,0020,0008
20
30
10
405060
80100
200
300
D (mm)
H (mm-1)
0,160,08
0,040,0250,0150,010,005
Coeur (r/R=0)tous milieux
2
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50
100200
500
1
∆∆∆∆t700700700700300300300300
r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
0,40,2
70
Peau (r/R=1)
D
Le temps de refroidissement déterminé à partir du point C (coeur) correspond àr/R=0: point C’ .
A
Zone 3B
C
1 0
B’
C’
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0,160,08
0,040,025
0,0150,01
0,0050,0020,0008
20
30
10
405060
80100
200
300
D (mm)
H (mm-1)
0,160,08
0,040,0250,0150,010,005
Coeur (r/R=0)tous milieux
2
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50
100200
500
1
∆∆∆∆t700700700700300300300300
r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
0,40,2
70
Peau (r/R=1)
D
Entre ces deux points, on trace une droite (correspondant à la loi exponentielle, solution de l’équation de conduction de la chaleur, dans une échelle log-log).
A
Zone 3B
C
1 0
B’
C’
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0,160,08
0,040,025
0,0150,01
0,0050,0020,0008
20
30
10
405060
80100
200
300
D (mm)
H (mm-1)
0,160,08
0,040,0250,0150,010,005
Coeur (r/R=0)tous milieux
2
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50
100200
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∆∆∆∆t700700700700300300300300
r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
0,40,2
70
Peau (r/R=1)
D
Le temps de refroidissement pour un point situé sur un rayon r s’obtient en traçant une verticale depuis le rapport r/R correspondant et une horizontale à partir du point d’intersection avec la droite B’C’ (point D).
A
Zone 3B
C
1 0
B’
C’
D
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0,160,08
0,040,025
0,0150,01
0,0050,0020,0008
20
30
10
405060
80100
200
300
D (mm)
H (mm-1)
0,160,08
0,040,0250,0150,010,005
Coeur (r/R=0)tous milieux
2
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50
100200
500
1
∆∆∆∆t700700700700300300300300
r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
0,40,2
70
Peau (r/R=1)
D
Ainsi, pour une pièce de diamètre 60 mm trempée à l’eau calme (H= 0,04), les temps de refroidissement en surface et à cœur sont respectivement de 10set de 50s.
10
60
Application: étape 1 – détermination des temps de refroidissement
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D=60 mm
∆∆∆∆t700700700700300300300300 = 10 s
∆∆∆∆t700700700700300300300300 = 60 s
A partir de ces temps, il est possible d’estimer les microstructures de l’alliage après trempe en surface à au cœur.Pour cela, on trace sur le diagramme TRC de la nuance retenue deux courbes correspondant aux trouvés.Dans le cas d’une pièce en acier de nuance 35 CrMo 4, la microstructure en surface est constituée de martensite et d’austénite résiduelle et celle du cœur de ferrite , de bainite, de martensite et d’austénite résiduelle.
SurfaceCoeur
1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5
24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
HRc 54 52,5 52 40 35 30 22 226 187 HV
Austénisé à: Grosseur du grain:
C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%
900
800
700
600
100
0
200
300
400
500
Nuance: 35 CrMo 4
Ac1 A
A+F A+F+C
A+F+C
A+M
Ms
Ac3
850°C - 30 mn 9
Temps (s)
0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28
55 45
15
12 10
35 45
2 10 70
75
65 17
Etape 2: microstructures
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Que ce soit à cœur ou en surface, le taux d’austénite résiduel peut être estimé àl’aide de la relation ci-dessus.
avec
et
Dans l’exemple présenté ici, cela donne:
SurfaceCoeur
1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5
24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
HRc 54 52,5 52 40 35 30 22 226 187 HV
Austénisé à: Grosseur du grain:
C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%
900
800
700
600
100
0
200
300
400
500
Nuance: 35 CrMo 4
Ac1 A
A+F A+F+C
A+F+C
A+M
Ms
Ac3
850°C - 30 mn 9
Temps (s)
0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28
55 45
15
12 10
35 45
2 10 70
75
65 17
En surface : y=0yM=96,8%yγ résid=3,2%
A cœur : y=5+0+10=15%yM=81,5%yγ résid=3,5%
D=60 mm
∆∆∆∆t700700700700300300300300 = 10 s
∆∆∆∆t700700700700300300300300 = 60 s
( ) ( ) ( )( )µγγ −⋅−⋅−⋅−= 1011,0exp1 TMsyy etransformérésid
BPF yyyy ++=
( )( )6,070030003,0exp141,0 t∆⋅−−⋅=µ
résidM yyy γ−−= 1
Etape 3: taux d’austénite résiduelle
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Par ailleurs, on peut déterminer le niveau de dureté obtenue après trempe, tant en surface qu’au cœur. Pour cela, il suffit de lire dans le cartouche situé au bas du diagramme TRC, la valeur en regard des courbes de refroidissement.
SurfaceCoeur
1 2 5 10 20 50 100 500 10 10 10 3 4 5
24h 15mn 1mn 2mn 1h 2h 4h 8h
HRc 54 52,5 52 40 35 30 22 226 187 HV
Austénisé à: Grosseur du grain:
C% Mn% Si% S% P% Ni% Cr% Mo%
900
800
700
600
100
0
200
300
400
500
Nuance: 35 CrMo 4
Ac1 A
A+F A+F+C
A+F+C
A+M
Ms
Ac3
850°C - 30 mn 9
Temps (s)
0,36 0,77 0,28 0,01 0,019 0,16 0,96 0,28
55 45
15
12 10
35 45
2 10 70
75
65 17
D=60 mm
∆∆∆∆t700700700700300300300300 = 10 s
∆∆∆∆t700700700700300300300300 = 60 s
A cœur : HV = 53
En surface : HV = 48
Etape 4: dureté en surface et à coeur
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0,160,08
0,040,025
0,0150,01
0,0050,0020,0008
20
30
10
405060
80100
200
300
D (mm)
H (mm-1)
0,160,08
0,040,0250,0150,010,005
Coeur (r/R=0)tous milieux
2
5
10
20
50
100200
500
1
∆∆∆∆t700700700700300300300300
r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
0,40,2
70
Peau (r/R=1)
10 20 30 40 50 60 Dj (mm)
HRc
r
20
30
40
50
60
10
Courbes Jominy
Pour déterminer ces duretés lorsque l’on ne dispose pas du diagramme TRC, il est possible d’utiliser l’abaque de détermination des temps de refroidissement complété d’une quatrième zone.
Zone 1
Zone 2 Zone 3 Zone 4
Abaque Distance Jominy équivalente
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0,160,08
0,040,025
0,0150,01
0,0050,0020,0008
20
30
10
405060
80100
200
300
D (mm)
H (mm-1)
0,160,08
0,040,0250,0150,010,005
Coeur (r/R=0)tous milieux
2
5
10
20
50
100200
500
1
∆∆∆∆t700700700700300300300300
r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
0,40,2
70
Peau (r/R=1)
10 20 30 40 50 60 Dj (mm)
Cette quatrième zone.permet d’établir une équivalenceentre le temps de refroidissement en un point d’une pièce trempée et la position du point sur l’éprouvette Jominy qui voit le même temps de refroidissement. On parle de distance Jominy équivalente.
Zone 1
Zone 2 Zone 3 Zone 4
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0,160,08
0,040,025
0,0150,01
0,0050,0020,0008
20
30
10
405060
80100
200
300
D (mm)
H (mm-1)
0,160,08
0,040,0250,0150,010,005
Coeur (r/R=0)tous milieux
2
5
10
20
50
100200
500
1
∆∆∆∆t700700700700300300300300
r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
0,40,2
70
Peau (r/R=1)
10 20 30 40 50 60 Dj (mm)
Zone 1
Zone 2 Zone 3 Zone 4
Cette équivalence est donnée par la courbe ci-dessus. L’axe horizontal est graduédirectement en distance Jominy équivalente.
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0,160,08
0,040,025
0,0150,01
0,0050,0020,0008
20
30
10
405060
80100
200
300
D (mm)
H (mm-1)
0,160,08
0,040,0250,0150,010,005
Coeur (r/R=0)tous milieux
2
5
10
20
50
100200
500
1
∆∆∆∆t700700700700300300300300
r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
0,40,2
70
Peau (r/R=1)
10 20 30 40 50 60 Dj (mm)
Zone 1
Zone 2 Zone 3 Zone 4
Reprenons l’exemple traité précédemment: pièce de diamètre 60trempée à l’eau calme(H=0,04 mm-1). Les temps de refroidissements en surface et au cœur sont respectivement de 10set 60s.
10
60
700300t∆
PO
IC 3
-Le
s tr
aite
men
ts th
erm
ique
s de
s ac
iers
Contact: michel.chaussumier@insa-toulouse.fr
0,160,08
0,040,025
0,0150,01
0,0050,0020,0008
20
30
10
405060
80100
200
300
D (mm)
H (mm-1)
0,160,08
0,040,0250,0150,010,005
Coeur (r/R=0)tous milieux
2
5
10
20
50
100200
500
1
∆∆∆∆t700700700700300300300300
r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
0,40,2
70
Peau (r/R=1)
10 20 30 40 50 60 Dj (mm)
Zone 1
Zone 2 Zone 3 Zone 4
En prolongeant les horizontales tempsjusqu’à la courbe distance Jominy équivalente, on en déduit les distances sur l’éprouvette Jominy qui subissent les mêmes temps de refroidissement: soit5 et 13 mm.
5 13
PO
IC 3
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men
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Contact: michel.chaussumier@insa-toulouse.fr
0,160,08
0,040,025
0,0150,01
0,0050,0020,0008
20
30
10
405060
80100
200
300
D (mm)
H (mm-1)
0,160,08
0,040,0250,0150,010,005
Coeur (r/R=0)tous milieux
2
5
10
20
50
100200
500
1
∆∆∆∆t700700700700300300300300
r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
0,40,2
70
Peau (r/R=1)
10 20 30 40 50 60 Dj (mm)
Zone 1
Zone 2 Zone 3 Zone 4
On peut alors compléter cet abaque en reportant la courbe Jominy, ce qui permet de déterminer la dureté tant en surface qu’au cœur de la pièce. Pour cela, il suffit de prolonger les verticales distances Jominyjusqu’à la courbe Jominyde la nuance envisagée.
5 13
HRc
20
30
40
50
60
10
Courbes JominyHRc
20
30
40
50
60
10
Courbes Jominy
PO
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Contact: michel.chaussumier@insa-toulouse.fr
0,160,08
0,040,025
0,0150,01
0,0050,0020,0008
20
30
10
405060
80100
200
300
D (mm)
H (mm-1)
0,160,08
0,040,0250,0150,010,005
Coeur (r/R=0)tous milieux
2
5
10
20
50
100200
500
1
∆∆∆∆t700700700700300300300300
r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
0,40,2
70
Peau (r/R=1)
10 20 30 40 50 60 Dj (mm)
Zone 1
Zone 2 Zone 3 Zone 4
5 13
HRc
20
30
40
50
60
10
Courbes JominyHRc
20
30
40
50
60
10
Courbes Jominy
Dans l’exemple traité ici (cas d’un acier de bonne trempabilité), la dureté obtenue en surface est de 54 HRc tandis qu’à cœur, elle est de 50 HRc. La différence de dureté entre le cœur et la surface n’est pas très importante, malgré la dimension importante de la pièce (60 mm).
5450
PO
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Contact: michel.chaussumier@insa-toulouse.fr
0,160,08
0,040,025
0,0150,01
0,0050,0020,0008
20
30
10
405060
80100
200
300
D (mm)
H (mm-1)
0,160,08
0,040,0250,0150,010,005
Coeur (r/R=0)tous milieux
2
5
10
20
50
100200
500
1
∆∆∆∆t700700700700300300300300
r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
0,40,2
70
Peau (r/R=1)
10 20 30 40 50 60 Dj (mm)
Zone 1
Zone 2 Zone 3 Zone 4
Et puisque l’abaque permet de déterminer les temps de refroidissement en tout point de la pièce (zone 3), il est possible de tracer le profil de dureté dans la section. On obtient ce qu’on appelle une courbe de pénétration de trempe ou encorecourbe en U.
5 13
HRc
r
20
30
40
50
60
10
Courbes Jominy
5450
PO
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40
50
60
HRC
70
0 20
1
2
3
r (mm)
1: 0,75 % C non allié2: 0,75 % C + 1 % Cr
3: 0,75 % C + 2 % Cr + 1 % Ni
Ces courbes en Upermettent également d’apprécier à la fois le niveau de dureté de la martensite et la trempabilité de l’acier. Plus la teneur en carbone est élevée, plus le niveau de la courbe en U est élevé; plus la trempabilité augmente, moins le « U » est prononcé.
40
50
60
HRC
70
0
2
1
HRCmax = 67
HRCmax = 55
20
r (mm)
1: 0,75 % C non allié2: 0,35 % C + 2 % Cr
PO
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t
°C
Le revenu de détente
30mn - 1h
200
Objectif : Diminution des contraintes internes
Cycle thermique : chauffage en dessous de 200°C
PO
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Ac3
t
°C
Ac1
Le revenu banal
30mn - 1hCondition de
refroidissement identiques à celle de la
trempe(sans influence)
Objectif : Diminuer la fragilitéde la structure martensitique
Cycle thermique : chauffage entre 550°C et 650°C
550
650
PO
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Ac3
t
°C
Ac1
Le revenu d ’adoucissement maximal
30mn - 1h
Condition de refroidissement
identiques à celle de la trempe
(sans influence)
Objectif : Adoucissement maximal
Cycle thermique : chauffage en dessous de Ac1
PO
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Etude expérimentale des transformations de l ’austénite : la dilatométrie absolue
Mesure de la dilatation en fonction de la température
PO
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-25
-20
-15
-10
-5
00 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Température (°C)
Dila
tatio
n re
lativ
e (1
0-3
)
Dilatation à l'état αααα
100%90%
80%70%
60%
50%40%
30%20%
10%0%
Dilatation à l'état γγγγ
Proportion d'austénite transformée
Austénitisation
Refroidissementen phase austénitique
Transformation P →→→→γγγγ+αααα
Transformation A →→→→F+P
Refroidissementjusqu ’à l ’ambiante
Refroidissement lent
PO
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-25
-20
-15
-10
-5
00 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Température (°C)D
ilata
tion
rela
tive
(10-
3 )
Dilatation à l'état αααα
100%90%
80%70%
60%
50%40%
30%20%
10%0%
Dilatation à l'état γγγγ
Proportion d'austénite transformée
Austénitisation
Refroidissementen phase austénitique
Transformation P →→→→γγγγ+αααα
Transformation A →→→→M
Refroidissementjusqu ’à l ’ambiante
Courbe dilatométrique
Refroidissement en 30s
Ms
PO
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Choix des conditions de traitement thermique
0,160,08
0,040,025
0,0150,01
0,0050,0020,0008
20
30
10
405060
80100
200
300
D (mm)
H (mm-1)
0,160,08
0,040,0250,0150,010,005
Coeur (r/R=0)tous milieux
2
5
10
20
50
100200
500
1
∆∆∆∆t700700700700300300300300
r/R0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
0,40,2
CHOIX DES CONDITIONS DE TRAITEMENTS THERMIQUES DES ACIERS
70
Peau (r/R=1)
10 20 30 40 50 60 Dj (mm)
HRc
r
20
30
40
50
60
10
Brut de trempe
Après revenu
Courbes JominyNiveau de
dureté après trempe
D =40 mm
Niveau de dureté après
revenu
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Les recuits
grossissement du grain
homogénéisation normalisation
globularisation
Les traitements de recuit ont pour objectif de recouvrir une microstructure ferrito-perlitique perturbée par des traitements mécaniques ou thermiques qu’a pu subir l’acier.
Objectif: reconférer une microstructure ferrito-perl itique
régénération
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Le recuit d ’homogénéisation
Ac3
1000°C
t
°C
Ac1
Refroidissementlent
Austénitisation
Ce recuit permet d’uniformiser la composition chimique de l'acier (réduction des ségrégations et des structures de bandes); ce traitement nécessite un maintien de plusieurs heures à une température d'austénitisation élevée, suivi d'un refroidissement lent.
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Le recuit de grossissement du grain
Ac3
1000°C
t
°C
Ac1Refroidissementlent
Austénitisation
Pour obtenir une taille de grains importante, propice à l'obtention d'une structure perlitiquegrossière, il faut austénitiser à très haute température (> 1000°C) pour faciliter la diffusion des joints de grains. A l’issue de cette phase d’austénitisation, l’acier est refroidi lentement.
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Le recuit de régénération
Ac3
1000°C
t
°C
Ac1Refroidissementsuivant résultat visé
Austénitisation
Ce recuit permet d'affiner et d'homogénéiser le grain de l'acier; ce traitement se fait en chauffant légèrement au-dessus de la température Ac3 et en refroidissant dans des conditions convenablespour le résultat désiré.
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Le recuit de normalisation
Ac3
1000°C
t
°C
Ac1Refroidissement
à l ’air
Austénitisation
Ce recuit permet d’obtenir une microstructure ferrito-perlitique légèrement différente de la microstructure d’équilibre : plus de perlite et perlite plus fine. Ce traitement se fait en austénitisant l’acier à une température de l’ordre de Ac3 + 50°et en refroidissant à l’air .
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Ac3
1000°C
t
°C
Ac1
Le recuit pour usinage
Austénitisation
Refroidissementlent
Ce recuit permet d’obtenir permet d'obtenir une microstructure ferrito-perlitique fine , microstructure la plus favorable pour l’usinage ; il consiste en un maintien isotherme au-dessous de Ac1 après l'austénitisation. L’acier est ensuite refroidit lentement.
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Ac3
1000°C
t
°C
Ac1
Le recuit de globularisation
Refroidissementlent
Ce recuit permet d’obtenir une structure perlitique globulaire ; il consiste en un chauffage àune température légèrement supérieure à Ac1 suivi d'un refroidissement et d'un maintien àune température légèrement inférieure à Ac1 ; ce cycle peut être répété plusieurs fois.
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